自动检测技术及应用》第6章光电传感器及其应用

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1、第6章光电传感器及其应用本章学习光电效应、光电元器件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电开关及光电断续器的使用。光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电元件转换成电信号，光电传感器属于非接触测量。9/19/20211电磁波辐射波谱可见光频率/Hz波长/m无线电波105红外线1010紫外线1015X射线1020宇宙射线10253×103m3×10-2m3×10-7m3×10-12m3×10-17m9/19/202121905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。9/19/20213§6.1光电效应及光

2、电元器件一、光电效应及分类每一个光子具有一定的能量，光子的能量E＝hf，其中h为普朗克常数，f为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能量也就越大。光电效应光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象。9/19/20214外光电效应在光线作用下能使电子从物体表面逸出。内光电效应在光线作用下能使物体电阻率发生变化。光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势。光电发射效应光电导效应分类：9/19/20215二、光电元件、特性及基本测量电路（一）光电管、光电倍增管1、光电管原理：基于外光电效应。组成：光电管由真空

3、玻璃管、光电阴极K和光电阳极A组成。9/19/20216当一定频率的光照射到光电阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量便有电子逸出而形成光电子。这些光电子被具有正电位的阳极所吸引，因而在光电管内便形成定向空间电子流，外电路就有了电流。光电管的结构9/19/20217如右图，在电路中串入一个适当的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。电流或电压的变化与光成一定的函数关系，从而实现了光电转换。光电管符号及测量电路9/19/202182、光电倍增管光电阴极和阳极之间增加了若干个光电倍增极D，且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发射而获得倍增光电子，使得最终到达阳极的光电子数目猛增。适合微光测

4、量,灵敏度高。9/19/20219光电特性指当阳极电压一定时，光电流IΦ与光电阴极接收到的光通量Φ之间的关系；光谱特性由于不同材料的光电阴极对不同波长的入射光有不同的灵敏度，因此光电管对光谱也有选择性；伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，光电流与阳极电压之间的关系称伏安特性铯氧银锑化铯光电管的阳极电压应选择在UQ附近,IΦ才稳定3、特性和参数9/19/202110(二)光敏电阻其原理是基于内光电效应。是一种没有极性的纯电阻器件。它的结构简单，在半导体光敏材料的两端引出电极，再将其封装在透明管壳内就构成光敏电阻。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；

5、入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。9/19/202111光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）9/19/202112光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。为提高灵敏度，两电极做成梳状，以增大极板面积。9/19/202113光敏电阻的基本应用电路a）UＯ与光照变化趋势相同的电路b）UＯ与光照变化趋势相反的电路9/19/2021141.暗电阻、亮电阻及光电流暗电阻：指光敏电阻置于室温、全暗条件下，经过一段时间稳定后测得的阻值，这时在给定的电压下测得的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻

6、，这时在给定工作电压下的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差称光敏电阻的光电流Iφ,暗阻值与亮阻值差值越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。9/19/2021152.光照特性光敏电阻的光电流Iφ与光通量Φ的关系。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不能用于光的精密测量，只能用作开关式的光电转换器。9/19/2021163.光谱特性光敏电阻对于不同波长λ的入射光，其相对灵敏度K也是不同的。因此，在选用光敏电阻时，应考虑光源的发光波长与光敏电阻的光谱特性峰值的波长相接近，这样才能获得高的灵敏度。9/19/2021174.伏安特性光敏电阻的伏安特性为线性关系，且不同照度下，其斜率不同。同一

7、般电阻一样，光敏电阻也有最大功率，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。9/19/2021185.响应时间光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，但都存在着这种时延特性。因此，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。6.温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度的影响较大，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度都下降。9/19/202119（三）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶